好文推薦：微服務(wù)架構(gòu)下的分布式事務(wù)基礎(chǔ)入門

眾所周知，數(shù)據(jù)庫能實現(xiàn)本地事務(wù)，也就是在同一個數(shù)據(jù)庫中，你可以允許一組操作要么全都正確執(zhí)行，要么全都不執(zhí)行。這里特別強調(diào)了本地事務(wù)，也就是目前的數(shù)據(jù)庫只能支持同一個數(shù)據(jù)庫中的事務(wù)。但現(xiàn)在的系統(tǒng)往往采用微服務(wù)架構(gòu)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)擁有獨立的數(shù)據(jù)庫，因此就出現(xiàn)了跨多個數(shù)據(jù)庫的事務(wù)需求，這種事務(wù)即為“分布式事務(wù)”。那么在目前數(shù)據(jù)庫不支持跨庫事務(wù)的情況下，我們應(yīng)該如何實現(xiàn)分布式事務(wù)呢？本文首先會為大家梳理分布式事務(wù)的基本概念和理論基礎(chǔ)，然后介紹幾種目前常用的分布式事務(wù)解決方案。廢話不多說，那就開始吧～

1. 什么是事務(wù)？

事務(wù)由一組操作構(gòu)成，我們希望這組操作能夠全部正確執(zhí)行，如果這一組操作中的任意一個步驟發(fā)生錯誤，那么就需要回滾之前已經(jīng)完成的操作。也就是同一個事務(wù)中的所有操作，要么全都正確執(zhí)行，要么全都不要執(zhí)行。

2. 事務(wù)的四大特性 ACID

說到事務(wù)，就不得不提一下事務(wù)著名的四大特性。

原子性
原子性要求，事務(wù)是一個不可分割的執(zhí)行單元，事務(wù)中的所有操作要么全都執(zhí)行，要么全都不執(zhí)行。
一致性
一致性要求，事務(wù)在開始前和結(jié)束后，數(shù)據(jù)庫的完整性約束沒有被破壞。
隔離性
事務(wù)的執(zhí)行是相互獨立的，它們不會相互干擾，一個事務(wù)不會看到另一個正在運行過程中的事務(wù)的數(shù)據(jù)。
持久性
持久性要求，一個事務(wù)完成之后，事務(wù)的執(zhí)行結(jié)果必須是持久化保存的。即使數(shù)據(jù)庫發(fā)生崩潰，在數(shù)據(jù)庫恢復(fù)后事務(wù)提交的結(jié)果仍然不會丟失。

注意：事務(wù)只能保證數(shù)據(jù)庫的高可靠性，即數(shù)據(jù)庫本身發(fā)生問題后，事務(wù)提交后的數(shù)據(jù)仍然能恢復(fù)；而如果不是數(shù)據(jù)庫本身的故障，如硬盤損壞了，那么事務(wù)提交的數(shù)據(jù)可能就丟失了。這屬于『高可用性』的范疇。因此，事務(wù)只能保證數(shù)據(jù)庫的『高可靠性』，而『高可用性』需要整個系統(tǒng)共同配合實現(xiàn)。

3. 事務(wù)的隔離級別

這里擴展一下，對事務(wù)的隔離性做一個詳細(xì)的解釋。

在事務(wù)的四大特性ACID中，要求的隔離性是一種嚴(yán)格意義上的隔離，也就是多個事務(wù)是串行執(zhí)行的，彼此之間不會受到任何干擾。這確實能夠完全保證數(shù)據(jù)的安全性，但在實際業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，這種方式性能不高。因此，數(shù)據(jù)庫定義了四種隔離級別，隔離級別和數(shù)據(jù)庫的性能是呈反比的，隔離級別越低，數(shù)據(jù)庫性能越高，而隔離級別越高，數(shù)據(jù)庫性能越差。

3.1 事務(wù)并發(fā)執(zhí)行會出現(xiàn)的問題

我們先來看一下在不同的隔離級別下，數(shù)據(jù)庫可能會出現(xiàn)的問題：

更新丟失
當(dāng)有兩個并發(fā)執(zhí)行的事務(wù)，更新同一行數(shù)據(jù)，那么有可能一個事務(wù)會把另一個事務(wù)的更新覆蓋掉。
當(dāng)數(shù)據(jù)庫沒有加任何鎖操作的情況下會發(fā)生。
臟讀
一個事務(wù)讀到另一個尚未提交的事務(wù)中的數(shù)據(jù)。
該數(shù)據(jù)可能會被回滾從而失效。
如果第一個事務(wù)拿著失效的數(shù)據(jù)去處理那就發(fā)生錯誤了。
不可重復(fù)讀
不可重復(fù)度的含義：一個事務(wù)對同一行數(shù)據(jù)讀了兩次，卻得到了不同的結(jié)果。它具體分為如下兩種情況：

虛讀：在事務(wù)1兩次讀取同一記錄的過程中，事務(wù)2對該記錄進行了修改，從而事務(wù)1第二次讀到了不一樣的記錄。
幻讀：事務(wù)1在兩次查詢的過程中，事務(wù)2對該表進行了插入、刪除操作，從而事務(wù)1第二次查詢的結(jié)果發(fā)生了變化。

不可重復(fù)讀與臟讀的區(qū)別？臟讀讀到的是尚未提交的數(shù)據(jù)，而不可重復(fù)讀讀到的是已經(jīng)提交的數(shù)據(jù)，只不過在兩次讀的過程中數(shù)據(jù)被另一個事務(wù)改過了。

3.2 數(shù)據(jù)庫的四種隔離級別

數(shù)據(jù)庫一共有如下四種隔離級別：

Read uncommitted 讀未提交
在該級別下，一個事務(wù)對一行數(shù)據(jù)修改的過程中，不允許另一個事務(wù)對該行數(shù)據(jù)進行修改，但允許另一個事務(wù)對該行數(shù)據(jù)讀。
因此本級別下，不會出現(xiàn)更新丟失，但會出現(xiàn)臟讀、不可重復(fù)讀。
Read committed 讀提交
在該級別下，未提交的寫事務(wù)不允許其他事務(wù)訪問該行，因此不會出現(xiàn)臟讀；但是讀取數(shù)據(jù)的事務(wù)允許其他事務(wù)的訪問該行數(shù)據(jù)，因此會出現(xiàn)不可重復(fù)讀的情況。
Repeatable read 重復(fù)讀
在該級別下，讀事務(wù)禁止寫事務(wù)，但允許讀事務(wù)，因此不會出現(xiàn)同一事務(wù)兩次讀到不同的數(shù)據(jù)的情況（不可重復(fù)讀），且寫事務(wù)禁止其他一切事務(wù)。
Serializable 序列化
該級別要求所有事務(wù)都必須串行執(zhí)行，因此能避免一切因并發(fā)引起的問題，但效率很低。

隔離級別越高，越能保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，但是對并發(fā)性能的影響也越大。對于多數(shù)應(yīng)用程序，可以優(yōu)先考慮把數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的隔離級別設(shè)為Read Committed。它能夠避免臟讀取，而且具有較好的并發(fā)性能。盡管它會導(dǎo)致不可重復(fù)讀、幻讀和第二類丟失更新這些并發(fā)問題，在可能出現(xiàn)這類問題的個別場合，可以由應(yīng)用程序采用悲觀鎖或樂觀鎖來控制。

4. 什么是分布式事務(wù)？

到此為止，所介紹的事務(wù)都是基于單數(shù)據(jù)庫的本地事務(wù)，目前的數(shù)據(jù)庫僅支持單庫事務(wù)，并不支持跨庫事務(wù)。而隨著微服務(wù)架構(gòu)的普及，一個大型業(yè)務(wù)系統(tǒng)往往由若干個子系統(tǒng)構(gòu)成，這些子系統(tǒng)又擁有各自獨立的數(shù)據(jù)庫。往往一個業(yè)務(wù)流程需要由多個子系統(tǒng)共同完成，而且這些操作可能需要在一個事務(wù)中完成。在微服務(wù)系統(tǒng)中，這些業(yè)務(wù)場景是普遍存在的。此時，我們就需要在數(shù)據(jù)庫之上通過某種手段，實現(xiàn)支持跨數(shù)據(jù)庫的事務(wù)支持，這也就是大家常說的“分布式事務(wù)”。

這里舉一個分布式事務(wù)的典型例子——用戶下單過程。

當(dāng)我們的系統(tǒng)采用了微服務(wù)架構(gòu)后，一個電商系統(tǒng)往往被拆分成如下幾個子系統(tǒng)：商品系統(tǒng)、訂單系統(tǒng)、支付系統(tǒng)、積分系統(tǒng)等。整個下單的過程如下：

用戶通過商品系統(tǒng)瀏覽商品，他看中了某一項商品，便點擊下單
此時訂單系統(tǒng)會生成一條訂單
訂單創(chuàng)建成功后，支付系統(tǒng)提供支付功能
當(dāng)支付完成后，由積分系統(tǒng)為該用戶增加積分

上述步驟2、3、4需要在一個事務(wù)中完成。對于傳統(tǒng)單體應(yīng)用而言，實現(xiàn)事務(wù)非常簡單，只需將這三個步驟放在一個方法A中，再用Spring的@Transactional注解標(biāo)識該方法即可。Spring通過數(shù)據(jù)庫的事務(wù)支持，保證這些步驟要么全都執(zhí)行完成，要么全都不執(zhí)行。但在這個微服務(wù)架構(gòu)中，這三個步驟涉及三個系統(tǒng)，涉及三個數(shù)據(jù)庫，此時我們必須在數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用系統(tǒng)之間，通過某項黑科技，實現(xiàn)分布式事務(wù)的支持。

5. CAP理論

CAP理論說的是：在一個分布式系統(tǒng)中，最多只能滿足C、A、P中的兩個需求。

CAP的含義：

C：Consistency 一致性
同一數(shù)據(jù)的多個副本是否實時相同。
A：Availability 可用性
可用性：一定時間內(nèi) & 系統(tǒng)返回一個明確的結(jié)果則稱為該系統(tǒng)可用。
P：Partition tolerance 分區(qū)容錯性
將同一服務(wù)分布在多個系統(tǒng)中，從而保證某一個系統(tǒng)宕機，仍然有其他系統(tǒng)提供相同的服務(wù)。

CAP理論告訴我們，在分布式系統(tǒng)中，C、A、P三個條件中我們最多只能選擇兩個。那么問題來了，究竟選擇哪兩個條件較為合適呢？

對于一個業(yè)務(wù)系統(tǒng)來說，可用性和分區(qū)容錯性是必須要滿足的兩個條件，并且這兩者是相輔相成的。業(yè)務(wù)系統(tǒng)之所以使用分布式系統(tǒng)，主要原因有兩個：

提升整體性能
當(dāng)業(yè)務(wù)量猛增，單個服務(wù)器已經(jīng)無法滿足我們的業(yè)務(wù)需求的時候，就需要使用分布式系統(tǒng)，使用多個節(jié)點提供相同的功能，從而整體上提升系統(tǒng)的性能，這就是使用分布式系統(tǒng)的第一個原因。
實現(xiàn)分區(qū)容錯性
單一節(jié)點或多個節(jié)點處于相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，那么會存在一定的風(fēng)險，萬一該機房斷電、該地區(qū)發(fā)生自然災(zāi)害，那么業(yè)務(wù)系統(tǒng)就全面癱瘓了。為了防止這一問題，采用分布式系統(tǒng)，將多個子系統(tǒng)分布在不同的地域、不同的機房中，從而保證系統(tǒng)高可用性。

這說明分區(qū)容錯性是分布式系統(tǒng)的根本，如果分區(qū)容錯性不能滿足，那使用分布式系統(tǒng)將失去意義。

此外，可用性對業(yè)務(wù)系統(tǒng)也尤為重要。在大談用戶體驗的今天，如果業(yè)務(wù)系統(tǒng)時常出現(xiàn)“系統(tǒng)異常”、響應(yīng)時間過長等情況，這使得用戶對系統(tǒng)的好感度大打折扣，在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)競爭激烈的今天，相同領(lǐng)域的競爭者不甚枚舉，系統(tǒng)的間歇性不可用會立馬導(dǎo)致用戶流向競爭對手。因此，我們只能通過犧牲一致性來換取系統(tǒng)的可用性和分區(qū)容錯性。這也就是下面要介紹的BASE理論。

6. BASE理論

CAP理論告訴我們一個悲慘但不得不接受的事實——我們只能在C、A、P中選擇兩個條件。而對于業(yè)務(wù)系統(tǒng)而言，我們往往選擇犧牲一致性來換取系統(tǒng)的可用性和分區(qū)容錯性。不過這里要指出的是，所謂的“犧牲一致性”并不是完全放棄數(shù)據(jù)一致性，而是犧牲強一致性換取弱一致性。下面來介紹下BASE理論。

BA：Basic Available 基本可用
“一定時間”可以適當(dāng)延長
當(dāng)舉行大促時，響應(yīng)時間可以適當(dāng)延長
給部分用戶返回一個降級頁面
給部分用戶直接返回一個降級頁面，從而緩解服務(wù)器壓力。但要注意，返回降級頁面仍然是返回明確結(jié)果。
整個系統(tǒng)在某些不可抗力的情況下，仍然能夠保證“可用性”，即一定時間內(nèi)仍然能夠返回一個明確的結(jié)果。只不過“基本可用”和“高可用”的區(qū)別是：
S：Soft State：柔性狀態(tài)
同一數(shù)據(jù)的不同副本的狀態(tài)，可以不需要實時一致。
E：Eventual Consisstency：最終一致性
同一數(shù)據(jù)的不同副本的狀態(tài)，可以不需要實時一致，但一定要保證經(jīng)過一定時間后仍然是一致的。

7. 酸堿平衡

ACID能夠保證事務(wù)的強一致性，即數(shù)據(jù)是實時一致的。這在本地事務(wù)中是沒有問題的，在分布式事務(wù)中，強一致性會極大影響分布式系統(tǒng)的性能，因此分布式系統(tǒng)中遵循BASE理論即可。但分布式系統(tǒng)的不同業(yè)務(wù)場景對一致性的要求也不同。如交易場景下，就要求強一致性，此時就需要遵循ACID理論，而在注冊成功后發(fā)送短信驗證碼等場景下，并不需要實時一致，因此遵循BASE理論即可。因此要根據(jù)具體業(yè)務(wù)場景，在ACID和BASE之間尋求平衡。

8. 分布式事務(wù)協(xié)議

下面介紹幾種實現(xiàn)分布式事務(wù)的協(xié)議。

8.1 兩階段提交協(xié)議 2PC

分布式系統(tǒng)的一個難點是如何保證架構(gòu)下多個節(jié)點在進行事務(wù)性操作的時候保持一致性。為實現(xiàn)這個目的，二階段提交算法的成立基于以下假設(shè)：

該分布式系統(tǒng)中，存在一個節(jié)點作為協(xié)調(diào)者(Coordinator)，其他節(jié)點作為參與者(Cohorts)。且節(jié)點之間可以進行網(wǎng)絡(luò)通信。
所有節(jié)點都采用預(yù)寫式日志，且日志被寫入后即被保持在可靠的存儲設(shè)備上，即使節(jié)點損壞不會導(dǎo)致日志數(shù)據(jù)的消失。
所有節(jié)點不會永久性損壞，即使損壞后仍然可以恢復(fù)。

1. 第一階段（投票階段）：

協(xié)調(diào)者節(jié)點向所有參與者節(jié)點詢問是否可以執(zhí)行提交操作(vote)，并開始等待各參與者節(jié)點的響應(yīng)。
參與者節(jié)點執(zhí)行詢問發(fā)起為止的所有事務(wù)操作，并將Undo信息和Redo信息寫入日志。（注意：若成功這里其實每個參與者已經(jīng)執(zhí)行了事務(wù)操作）
各參與者節(jié)點響應(yīng)協(xié)調(diào)者節(jié)點發(fā)起的詢問。如果參與者節(jié)點的事務(wù)操作實際執(zhí)行成功，則它返回一個"同意"消息；如果參與者節(jié)點的事務(wù)操作實際執(zhí)行失敗，則它返回一個"中止"消息。

2. 第二階段（提交執(zhí)行階段）：

當(dāng)協(xié)調(diào)者節(jié)點從所有參與者節(jié)點獲得的相應(yīng)消息都為"同意"時：

協(xié)調(diào)者節(jié)點向所有參與者節(jié)點發(fā)出"正式提交(commit)"的請求。
參與者節(jié)點正式完成操作，并釋放在整個事務(wù)期間內(nèi)占用的資源。
參與者節(jié)點向協(xié)調(diào)者節(jié)點發(fā)送"完成"消息。
協(xié)調(diào)者節(jié)點受到所有參與者節(jié)點反饋的"完成"消息后，完成事務(wù)。

如果任一參與者節(jié)點在第一階段返回的響應(yīng)消息為"中止"，或者協(xié)調(diào)者節(jié)點在第一階段的詢問超時之前無法獲取所有參與者節(jié)點的響應(yīng)消息時：

協(xié)調(diào)者節(jié)點向所有參與者節(jié)點發(fā)出"回滾操作(rollback)"的請求。
參與者節(jié)點利用之前寫入的Undo信息執(zhí)行回滾，并釋放在整個事務(wù)期間內(nèi)占用的資源。
參與者節(jié)點向協(xié)調(diào)者節(jié)點發(fā)送"回滾完成"消息。
協(xié)調(diào)者節(jié)點受到所有參與者節(jié)點反饋的"回滾完成"消息后，取消事務(wù)。

不管最后結(jié)果如何，第二階段都會結(jié)束當(dāng)前事務(wù)。

二階段提交看起來確實能夠提供原子性的操作，但是不幸的事，二階段提交還是有幾個缺點的：

執(zhí)行過程中，所有參與節(jié)點都是事務(wù)阻塞型的。當(dāng)參與者占有公共資源時，其他第三方節(jié)點訪問公共資源不得不處于阻塞狀態(tài)。
參與者發(fā)生故障。協(xié)調(diào)者需要給每個參與者額外指定超時機制，超時后整個事務(wù)失敗。（沒有多少容錯機制）
協(xié)調(diào)者發(fā)生故障。參與者會一直阻塞下去。需要額外的備機進行容錯。（這個可以依賴后面要講的Paxos協(xié)議實現(xiàn)HA）
二階段無法解決的問題：協(xié)調(diào)者再發(fā)出commit消息之后宕機，而唯一接收到這條消息的參與者同時也宕機了。那么即使協(xié)調(diào)者通過選舉協(xié)議產(chǎn)生了新的協(xié)調(diào)者，這條事務(wù)的狀態(tài)也是不確定的，沒人知道事務(wù)是否被已經(jīng)提交。

為此，Dale Skeen和Michael Stonebraker在“A Formal Model of Crash Recovery in a Distributed System”中提出了三階段提交協(xié)議（3PC）。

8.2 三階段提交協(xié)議 3PC

與兩階段提交不同的是，三階段提交有兩個改動點。

引入超時機制。同時在協(xié)調(diào)者和參與者中都引入超時機制。
在第一階段和第二階段中插入一個準(zhǔn)備階段。保證了在最后提交階段之前各參與節(jié)點的狀態(tài)是一致的。

也就是說，除了引入超時機制之外，3PC把2PC的準(zhǔn)備階段再次一分為二，這樣三階段提交就有CanCommit、PreCommit、DoCommit三個階段。

1. CanCommit階段

3PC的CanCommit階段其實和2PC的準(zhǔn)備階段很像。協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送commit請求，參與者如果可以提交就返回Yes響應(yīng)，否則返回No響應(yīng)。

事務(wù)詢問
協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送CanCommit請求。詢問是否可以執(zhí)行事務(wù)提交操作。然后開始等待參與者的響應(yīng)。
響應(yīng)反饋
參與者接到CanCommit請求之后，正常情況下，如果其自身認(rèn)為可以順利執(zhí)行事務(wù)，則返回Yes響應(yīng)，并進入預(yù)備狀態(tài)。否則反饋No

2. PreCommit階段

協(xié)調(diào)者根據(jù)參與者的反應(yīng)情況來決定是否可以記性事務(wù)的PreCommit操作。根據(jù)響應(yīng)情況，有以下兩種可能。

假如協(xié)調(diào)者從所有的參與者獲得的反饋都是Yes響應(yīng)，那么就會執(zhí)行事務(wù)的預(yù)執(zhí)行。

發(fā)送預(yù)提交請求
協(xié)調(diào)者向參與者發(fā)送PreCommit請求，并進入Prepared階段。
事務(wù)預(yù)提交
參與者接收到PreCommit請求后，會執(zhí)行事務(wù)操作，并將undo和redo信息記錄到事務(wù)日志中。
響應(yīng)反饋
如果參與者成功的執(zhí)行了事務(wù)操作，則返回ACK響應(yīng)，同時開始等待最終指令。

假如有任何一個參與者向協(xié)調(diào)者發(fā)送了No響應(yīng)，或者等待超時之后，協(xié)調(diào)者都沒有接到參與者的響應(yīng)，那么就執(zhí)行事務(wù)的中斷。

發(fā)送中斷請求
協(xié)調(diào)者向所有參與者發(fā)送abort請求。
中斷事務(wù)
參與者收到來自協(xié)調(diào)者的abort請求之后（或超時之后，仍未收到協(xié)調(diào)者的請求），執(zhí)行事務(wù)的中斷。

3. doCommit階段

該階段進行真正的事務(wù)提交，也可以分為以下兩種情況。

3.1 執(zhí)行提交

發(fā)送提交請求
協(xié)調(diào)接收到參與者發(fā)送的ACK響應(yīng)，那么他將從預(yù)提交狀態(tài)進入到提交狀態(tài)。并向所有參與者發(fā)送doCommit請求。
事務(wù)提交
參與者接收到doCommit請求之后，執(zhí)行正式的事務(wù)提交。并在完成事務(wù)提交之后釋放所有事務(wù)資源。
響應(yīng)反饋
事務(wù)提交完之后，向協(xié)調(diào)者發(fā)送Ack響應(yīng)。
完成事務(wù)
協(xié)調(diào)者接收到所有參與者的ack響應(yīng)之后，完成事務(wù)。

3.2 中斷事務(wù)

協(xié)調(diào)者沒有接收到參與者發(fā)送的ACK響應(yīng)（可能是接受者發(fā)送的不是ACK響應(yīng)，也可能響應(yīng)超時），那么就會執(zhí)行中斷事務(wù)。